40 3 · 2016 TR ANSFORMING CITIES THEMA Urbanes Grün Einleitung Immer mehr Menschen ziehen aus ländlichen Regionen in die Städte. Gemäß dem Treibhausgas-Inventarbericht 2016 ist die Siedlungsfläche im Jahre 2014 um 910 370 ha gewachsen [1]. In den Städten können fortschreitende Flächenversiegelung, Zerschneidung von Biotopen sowie urbane Wärmeinseleffekte zu erheblichen Beeinträchtigungen von Lokalklima, Wasserhaushalt und Biodiversität führen. Die urbane Begrünung kann daher als Mitigationsmittel verwendet werden [2]. Dachbegrünungen können als Trittsteinbiotope Lebensraumfunktion übernehmen und so einen Beitrag zum Schutz der Extensive Dachbegrünungen im urbanen Raum Bedeutung der kleinflächigen Dachbegrünungen für Lokalklima, Wasserhaushalt und Biodiversität Dachbegrünung, Biodiversität, Bedeckungsgrad, Mikroklima, Temperaturextreme, Wasserrückhalt, Städte Elke Hietel, Oleg Panferov, Ute Rößner Der Beitrag von kleinflächigen, extensiven Dachbegrünungen zur Verbesserung von Lokalklima, Wasserhaushalt und Biodiversität in Städten wurde untersucht. Dabei konnten positive Effekte für die Biodiversität (Arten- und Individuenzahlen) und für die Minderung der Temperaturextreme festgestellt werden. Sonst haben die kleinflächigen Dachbegrünungen keinen signifikanten Einfluss auf das lokale Mikroklima. Bei Starkregen verringern die Dachbegrünungen den Wasserabfluss - wobei das Substrat, nicht der Pflanzenbewuchs, die entscheidende Rolle für den Wasserrückhalt spielt. Biodiversität leisten. Außerdem können die begrünten Dächer zur Verbesserung der Energieeffizienz der Gebäude, zur Abkühlung des städtischen Mikroklimas um 0,33 °C bis 3 °C [3], [4] und zur Reduktion der täglichen Temperaturschwankungen beitragen [5]. Der Gebäude-Regenwasserabfluss kann um 60 bis 79 % reduziert werden [6]. Zudem werden durch Dachbegrünung im urbanen Raum gestalterische Verbesserungen erreicht, ohne dass zusätzliche Flächen in Anspruch genommen werden. Gerade extensive Dachbegrünungen spielen hierbei eine große Rolle, da sie auf den meisten Dächern relativ einfach umgesetzt werden können [7]. Daher gibt es Bild 1: Begrünte Garagendächer und Kiesdächer [13] 41 3 · 2016 TR ANSFORMING CITIES THEMA Urbanes Grün aktuell verschiedene Initiativen zur Begrünung der Städte, z.B. die Charta „Zukunft Stadt und Grün“ [8] und das „Grünbuch Stadtgrün“ [9]. Dennoch werden in Deutschland nur etwa 5 bis 10 % der neu entstandenen Dachflächen begrünt [10]. Zudem gibt es Wissenslücken zu den Gesamtauswirkungen von Dachbegrünungen [11] sowie Informationsbedarf zur zielorientierten Umsetzung bei Architekten, Städteplanern sowie in Politik und Verwaltung [10]. Die bis heute durchgeführten experimentellen Untersuchungen und Modellstudien haben meistens die Stadt insgesamt bzw. die Großgebäudeskalen betrachtet [z.B. 12]. Häufig handelt es sich aber im urbanen Raum nur um kleinflächige Begrünungen, z.B. auf Garagendächern. Welche Bedeutung haben nun solche extensiven, kleinflächigen Begrünungen und wie können Aufbau und Pflege der Dachbegrünungen aus ökologischer Sicht optimiert werden? Im Rahmen des Projekts „Messtechnische Erfassung der Auswirkungen von Dachbegrünung auf Lokalklima, Wasser und Biodiversität“, das seit 2014 an der Technischen Hochschule (TH) Bingen durchgeführt wird, sollen diese Fragen beantwortet werden. Material und Methoden Untersuchungsobjekt: Für die Untersuchungen wurden Fertiggaragen mit extensiven Dachbegrünung (Fläche jeweils 2 x 5 m 2 ) auf dem Gelände der TH Bingen (49.95 °N, 7.92 °O, ca. 100 m ü. NN) genutzt. Bei der Dachbegrünung handelt es sich um einen typischen Dreischichtaufbau mit einer 9 cm dicken Substratschicht und Flachballenpflanzen (ca. 15 Stück/ m², Sedum, Anlage der Begrünung im Jahr 2011). Referenzflächen sind bekieste Garagendächer, mit einer ca. 3 bis 5cm dicken Kiesschicht. Alle Garagen stehen zwischen Gebäuden auf einem gepflasterten Parkplatz mit nur vereinzelten Gehölzen, so dass von einer dem „urbanen Raum“ entsprechenden Situation auszugehen ist (siehe Bild 1). Biodiversität: Als Indikator für die Biodiversität wurden blütenbestäubende Insekten untersucht. Nach [14] stellen insbesondere Hautflügler (Hymenoptera) eine wichtige Indikatorartengruppe für die Lebensraumqualität von Siedlungsbereichen dar. Erfasst wurden Honigbienen (Gattung Apis), Hummeln (Gattung Bombus), sonstige Wildbienen (Überfamilie Apoidea), Wespen (Unterfamilie Vespinae), Schwebfliegen (Familie Syrphidae) und sonstige Fliegen (Unterordnung Brachycera). Die nur vereinzelt auftretenden Schmetterlinge, Käfer und Heuschrecken wurden unter „Sonstige“ zusammengefasst. Folgende Parameter wurden verwendet:  Abundanz (Individuenanzahl der einzelnen Insektengruppen pro m 2 ),  Gesamtdichte (Gesamtindividuenanzahl aller Insektengruppen pro m 2 ),  Vielfalt (Anzahl der Insektengruppen je m 2 ). Die zu erfassenden Flächen wurden in jeweils 5 m 2 große Parzellen aufgeteilt. Die Erfassung erfolgte über jeweils 5 min pro Parzelle von Juli bis September 2014 und von Juni bis August 2015 [13], [15]. Gemessen wurde nur bei bestimmten, einheitlichen Witterungsbedingungen (Lufttemperatur > 18 °C, Windgeschwindigkeit < 3 m s- 1 , Niederschlagsfreiheit, Bewölkungsgrad < 30 %). Zusätzlich wurde auf den Gründächern auch der Grad der Vegetationsbedeckung (in %) erfasst. Mikroklima Die mikroklimatischen Messungen von kurzwelliger einfallender und reflektierter Strahlung, Lufttemperatur und -feuchte, Windgeschwindigkeit und -richtung wurden als: a) kontinuierliche Messungen mit automatischer Wetterstationen von Theodor Friedrichs & Co von September 2014 bis September 2015; und b) Messkampagnen mit Handmessgeräten von Juni bis August 2015 durchgeführt [16]. Um die räumliche Verteilung der Temperaturunterschiede auf den begrünten und unbegrünten Dächern zu erfassen, wurden außerdem Aufnahmen mit einer Wärmebildkamera gemacht. Wasserhaushalt Die Studien des Wasserhaushalts wurden A) unter Laborbedingungen im Technikum und B) auf oben beschriebenen Garagen im Sommer 2015 durchgeführt. A) Es wurden vier große Parzellen (1 m 2 ) mit dem typischen Dreischichtenaufbau und unterschiedlichen Begrünungsarten und eine Referenzparzelle mit einer Kiesschicht aufgebaut. Zur Simulation eines Starkregens erfolgten Beregnungen aller fünf Parzellen mit ca. 23,5 L m -2 Stunde -1 . Über einen installierten Abfluss wurde das Volumen des abfließenden Wassers gemessen. Ebenfalls erfolgte die kontinuierliche Bestimmung des Gewichtes der Parzellen. Eine Klimastation ermittelte alle relevanten Daten, um daraus die Verdunstung berechnen zu können [17]. B) Für die Beregnung der oben beschriebenen Garagen wurde ein Rasensprenger genutzt (gleiche Niederschlagsmenge wie in (A)), die Wurfweite und -breite konnten reguliert werden. Über ein 42 3 · 2016 TR ANSFORMING CITIES THEMA Urbanes Grün Fallrohr (D = 75 mm) gelangte das Abflusswasser in einen Behälter (50 Liter) auf einer Waage für kontinuierliche Messungen des Abflusswassergewichts. Ergebnisse Biodiversität Bei den Kiesdächern zeigen alle erfassten Insektengruppen (außer „Fliegen“) eine niedrigere Abundanz als bei den Gründächern. Die Gesamtdichte sowie die Vielfalt auf den Kiesdächern sind gleichfalls signifikant (p < 0,05) niedriger als auf den Gründächern (siehe Bild 2). Auch die Variabilität (Standardabweichungen) ist bei den Gründächern höher als bei den Kiesdächern. Zudem zeigen sich signifikante Korrelationen zwischen der Höhe des Bedeckungsgrades und den Abundanzen sowie der Gesamtdichte aller Insektengruppen (p < 0,05). 0 5 10 15 20 25 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Lufttemperatur (°C) Monat Grün Kies Bild 2: Vergleich der mittleren Abundanzen (aus allen Messungen) bei den Gründächern und bei den Kiesdächern; Gesamt Gründach und Gesamt Kiesdach bezieht sich auf die jeweilige Gesamtdichte aller Insektengruppen. Bild 3: Monatliche Mittelwerte der Lufttemperatur über den begrünten und unbegrünten Flächen 2014. Mikroklima Die Ergebnisse zeigen, dass die unbegrünten Kiesdächer im Durchschnitt eine signifikant (p < 0,05) höhere Albedo haben als die begrünten: 0,16 ± 0,0375 und 0,12 ± 0,014 entsprechend. Die Messergebnisse der automatischen Wetterstationen für 2014 zeigen, dass die Werte der Lufttemperatur über Kiesdächern im Jahresdurchschnitt niedriger sind als über den begrünten Dächern (11,7 °C und 12,7 °C). Der Vergleich auf der Monatsskala bestätigt die Ergebnisse für die Jahreswerte - mit Ausnahme der Periode Mai bis Juli sind die Kiesdächer kühler. Von Mai bis Juli sind die begrünten Dächer minimal kühler (siehe Bild 3). Die Messkampagnen im Sommer 2015 zeigen ähnliche Ergebnisse - im Sommer ( Juni bis August) sind die Gründächer etwas kühler (26,5 °C vs. 27,1 °C). Alle Unterschiede sind jedoch statistisch nicht signifikant (p > 0,05). Die Gründächer zeigen kleinere Jahresamplituden und Extremwerte (Min -6.3 °C, Max 40.6 °C) als Kiesdächer (-7.5 °C, 41 °C). Die Wärmebilder zeigen aber, dass die Temperaturkontraste innerhalb der einzelnen Dächer auf begrünten Garagendächern deutlich höher sind (Bild 4). Die Werte der relativen Feuchte und Windgeschwindigkeit unterscheiden sich minimal (ca. 1 % und 0.1 m s -1 ). Wasserhaushalt In Tabelle 1 sind die Wasserbilanz und der Abflussbeiwert für die einzelnen Parzellen im Technikum dargestellt. Die Technikumsversuche mit zwei stark begrünten (B1/ B2) und zwei unbewachsenen Parzellen (A1/ A2) zeigen, dass die Substratdicke eine wesentlich größere Wirkung auf den Wasserrückhalt eines Gründaches hat als eine gut entwickelte Vegetationsschicht (3 %). Die Verdunstung war sehr gering (keine direkte Sonnenstrahlung, kein Wind) und hat den Wasserrückhalt kaum beeinflusst. Die Garagenversuche zeigten, dass die Abflussmenge stark vom Feuchtezustand des Substrates abhängt (siehe Bild 5). Das Substrat ohne Beregnung war sehr trocken wegen der sehr niederschlagsarmen Bedingungen im Sommer 2015. Die nicht vorbewässerten Gründächer (Garagen 1, 2, 3) zeigten die geringsten Abflussmengen im Beregnungsversuch (C = 0,0 bis 0,16). Die niedrigen Verdunstungs- und Verlustmengen lassen den Schluss zu, dass das nicht abgeflossene Wasser primär im Substrat gespeichert wird. Eine Vorbewässerung der Garage 1 erhöhte die Abflussmenge (C = 0,3) und eine erneute Beregnung minderte den Wasserrückhalt signifikant (C = 0,7). 43 3 · 2016 TR ANSFORMING CITIES THEMA Urbanes Grün Diskussion und Schlussfolgerung Die höheren Werte für Abundanzen, Gesamtdichte und Vielfalt auf Gründächern bestätigen eindeutig die Lebensraumfunktion sowie die Bedeutung auch kleinflächiger extensiver Dachbegrünungen als Trittsteinbiotope für die Biodiversität im urbanen Raum. Dies wurde in Untersuchungen z.B. von [18], [19], [20] auch bestätigt. Die größere Streuung der Abundanzen auf den Gründächern kann mit den dort größeren Temperaturkontrasten (Extremlebensraum) erklärt werden, die zu einer höheren Besiedlungsdynamik führen. Der Lebensraum hat daher vorzugsweise für mobile Tierarten wie z.B. Vögel, Spinnen, Fluginsekten Bedeutung. Darüberhinaus besteht eine Korrelation zwischen dem Bedeckungsgrad der Vegetation und der Abundanz sowie der Gesamtdichte. Je höher der Bedeckungsgrad, desto mehr Insektenindividuen finden sich auf den Dächern. Daher ist für eine ökologische Optimierung der Dachbegrünungen zu empfehlen, dass bei dem Aufbau der Dachbegrünungen sowie bei der Pflege auf das kurzfristige Erreichen eines hohen Bedeckungsgrades geachtet wird. Insgesamt haben kleinflächige, urbane Extensivbegrünungen also deutlich positive Effekte auf die Biodiversität und können insbesondere dabei helfen, den Rückgang der blütenbestäubenden Insekten zu mindern. Die meteorologischen Messungen zeigen, dass auf kleineren räumlichen Skalen die Dachbedeckungen keinen signifikanten Einfluss auf das lokale Mikroklima haben. Der in der Literatur beschriebene kühlende Effekt der Dachbegrünung [z.B. 4] konnte nicht eindeutig nachgewiesen werden. Dieser Effekt wurde aber meistens durch einen Vergleich mit „konventionellen“ schwarzen Dächern beobachtet. Die in unserem Experiment beobachteten Tendenzen entsprechen eher den Ergebnissen von [12], die zeigten, dass die Dachoberflächen mit höherer Albedo stärkere kühlende Effekte und auch höhere Temperaturschwankungen als die Gründächer haben können. Im Sommer können sich die Gründächer durch Evapotranspiration stärker abkühlen. Die Untersuchungen zum Wasserhaushalt zeigen, dass die Dachbegrünung die Abflussmenge nach einem Starkregenereignis signifikant verringert [17], [21]. Besonders deutlich ist dieser Effekt nach einer längeren Trockenheit. Die Hypothese, dass die Dachbegrünungspflanzen einen substantiellen Beitrag zum Wasserrückhalt leisten [6], [21] wurde nicht bestätigt - die Wasserspeicherung bzw. der Wasserrückhalt fand hauptsächlich im Substrat statt und der Pflanzenbeitrag war sehr gering. Der Pflanzenbewuchs ist trotzdem sinnvoll, da dadurch Substraterosion vermieden und die Entwicklung der Biodiversität ermöglicht wird. Bild 4: Wärmebilder des Gründachs (links) und des Kiesdachs (rechts) an einem sonnigen Tag. Bild 5: Abflussmenge von den Garagen mit Gründächern im Beregnungsversuch [17]. „Trocken“ = Substrat mit natürlichem Feuchtegrad. „Feucht“ = Gründach ist vorbewässert, danach erneute Beregnung und Abflussmessungen. Versuch A1 A2 B1 B2 R Einheit Regenmenge 24 23,5 23,5 24,5 23,5 kg/ m 2 *h Abfluss 12,764 11,250 12,617 11,151 18,015 kg Gespeichert 11,100 11,730 10,750 13,228 5,385 kg Verlust durch Leckage 3,470 0,000 0,150 0,483 0,000 kg Rest 0,136 0,520 0,133 0,122 0,100 kg Verdunstung 0,029 0,036 0,043 0,033 0,030 kg/ m 2 Fehler 0,45 2,06 0,38 0,36 0,30 % Abflussbeiwert C 0,53 0,48 0,54 0,46 0,77 - Tabelle 1: Wasserbilanz und Abflussbeiwert für die einzelnen Parzellen im Technikum [17]. 44 3 · 2016 TR ANSFORMING CITIES THEMA Urbanes Grün LITERATUR: [1] Umweltbundesamt (Hrsg.): Berichterstattung unter der Klimarahmenkonvention der Vereinten Nationen und dem Kyoto-Protokoll 2016. Nationaler Inventarbericht zum Deutschen Treibhausgasinventar 1990 - 2014, Climate Change 23/ 2016, 1040 S. ISSN 1862-4359. [2] Oberndorfer, E., Lundholm, J., Bass, B., Coffman, R.R., Doshi, H., Dunnett, N., Gaffin, S.R., Köhler, M., Liu, K.K.Y., Rowe, B.: Green roofs as urban ecosystems: ecological structures, functions, and services. Bio- Science 57 (10), 2007, p. 823-833. [3] Jaffal, I., Ouldboukhitine, S. E., Belarbi, R.: A comprehensive study of the impact of green roofs on building energy performance. Renewable Energy 43, 2012, p. 157-164. [4] Santamouris, M.: Cooling the cities - A review of reflective and green roof mitigation technologies to fight heat island and improve comfort in urban environments. Solar Energy 103, 2012, p. 682-703. [5] Liu, K.K.Y., Baskaran, B.: Thermal performance of green roofs through field evaluation. Proceedings for the first North American green roof infrastructure conference, awards, and trade show, Chicago, IL, May 29-30, 2003, p. 1-10. [6] Nardini, A., Andri, S., Crasso, M.: Influence of substrate depth and vegetation type on temperature and water runoff mitigation by extensive green roofs: shrubs versus herbaceous plants. Urban Ecosyst, 15, 2012, p. 697-708. [7] FLL: Richtlinie für die Planung, Ausführung und Pflege von Dachbegrünungen. 2008, Bonn. [8] BGL: Charta Zukunft Stadt und Grün. 2014, Berlin. [9] BMUB (Hrsg.): Grün in der Stadt - Für eine lebenswerte Zukunft. Grünbuch Stadtgrün. 2015, Bonn. [10] FBB: Bundesweite Strategie Gebäudegrün. 2015, Saarbrücken. [11] Gargari, C., Bibbiani, C., Fantozzi, F., Campiotti, C.A.: Environmental impact of Green roofing: the contribute of a green roof to the sustainable use of natural resources in a life cycle approach. Agriculture and Agricultural Science Procedia 8, 2016, p. 646-656. [12] Susca, T., Gaffin, S. R., Dell’osso, G. R.: Positive effects of vegetation: Urban heat island and green roofs. Environ. Pollut., 159, 2011, p. 2119-2126. [13] Kaiser, C.: Untersuchungen zu den Auswirkungen der extensiven Dachbegrünung auf lokale Biodiversität und Mikroklima. Bachelorarbeit, 2014, Fachhochschule Bingen, unveröffentlicht. [14] Brinkmann, R.: Berücksichtigung faunistisch-tierökologischer Belange in der Landschaftsplanung. Informationsdienst Naturschutz Niedersachsen, 4/ 98, Niedersächsisches Landesamt für Ökologie, Hildesheim, 1998, S. 58-127. [15] Kuhlmann, M.: Erfassung der Auswirkungen extensiver Dachbegrünung auf die lokale Abundanz und Vielfalt blütenbestäubender Insekten. Bachelorarbeit, 2015, Fachhochschule Bingen, unveröffentlicht. [16] Stock, B.: Messtechnische Erfassung der Auswirkungen von Dachbegrünung auf das Mikroklima. Bachelorarbeit, 2016, Fachhochschule Bingen, unveröffentlicht. [17] Sternagel, A.: Messtechnische Erfassung der Auswirkungen von extensiver Dachbegrünung auf den Wasserhaushalt. Bachelorarbeit, 2015, Fachhochschule Bingen, unveröffentlicht. [18] Gedge, D. & Kadas, G.: Green roofs and biodiversity. Biologist 52/ 3, 2005, p. 161-169. [19] Schrader, S. & Böning, M.: Soil formation on greenroofs and its contribution to urban biodiversity with emphasis on Collembolans. Pedobiologia, 50 (4), 2006, p. 347-356. [20] Hui, S. C. M. & Chan, K. L.: Biodiversity assessment of green roofs for green building design. In: Proceedings of Joint Symposium 2011: Integrated Building Design in the New Era of Sustainability, 22, 2011, Hong Kong. [21] BGL: Regenwassermanagement - natürlich mit Dachbegrünung. Bad Honnef, 1999, GaLaBau-Service GmbH. Prof. Dr. Elke Hietel Landschaftsökologie, Landschaftsplanung, GIS Technische Hochschule Bingen Kontakt: e.hietel@th-bingen.de Prof. Dr. Oleg Panferov Klimatologie, Klimaschutz und Klimaanpassung Technische Hochschule Bingen Kontakt: o.panferov@th-bingen.de Prof. Dr. Ute Rößner Wassertechnologie, Altlasten, Umweltanalytik Technische Hochschule Bingen Kontakt: roessner@th-bingen.de AUTOR I NNEN Einfach In Kontakt bleiben ...  Redaktion  christine.ziegler@transforming-cities.de  089 889518.72  Anzeigen  hellfried.zippan@trialog.de  089 889518.74